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儿童电子学(二):电容器

2022-07-29 14:34:48 Giovanni Di Maria 阅读:
电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。

电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。uBRednc

电容器

第 1 部分中,我们了解了各种常见电子元件的功能。电阻器阻止电流流动,而LED二极管的功能就像一个灯泡,当电流(即使是非常小的电流)从其两个引脚流过时,LED二极管则被点亮,但LED二极管必须的阴极与阳极必须安装正确,不能颠倒过来。uBRednc

在本文中,我们将介绍电容器的功能。尽管其电气结构始终相同,但它是一种具有广泛应用的独特而迷人的组件。根据使用环境的不同,它具有不同的功能。在这里,我们将使用电解电容器作为容器和电能容器。电容器是一个有两个导电极板的圆柱形元件。其连接必须遵守正确的方向,即正确的极性。uBRednc

在内部,两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。uBRednc

现在让我们做一个简单的实验,就是要让这个强大的容器充满能量。测试需要以下项目:uBRednc

  • 一块 4.5 V 扁平电池;
  • 至少 10,000 uF(微法拉)的电解电容器;
  • 一个万用表。

现在遵循图 1所示的各个阶段,要记住,电流与水非常相似,而电容器则与水桶非常相似:uBRednc

  1. 最初,电解电容器是空的(就像塑料水桶一样)。用万用表测试,电压值为0V。它还可以显示最小电压值​(例如,0.2 V),因为在组件中仍然可能存在残余能量,就像仍留在容器内的水滴一样;
  2. 如图所示,用 4.5 V 的电池给电容器充电。就极性而言,电池的正极必须连接到电容器的正极,负极同理。这个阶段相当于通过水龙头装满水桶。容器越大,填充所需的时间就越长。我们保持这种充电状态大约 5-10 秒(实际上,电容器几乎是立即充电,但为了安全,我们延长了时间)。幸运的是,有了电容器,就没有电子泄漏。当它已满时,它不再接受电流。您还可以使用不同的电压,例如 9 V 或 12 V,具体取决于您家中的电池和电池;
  3. 几分钟之后,电容器就会如水桶一样充满。为了检查这一点,我们使用与之前相同的测试仪测量组件上的电压,始终遵循正确的极性。测试仪现在显示的电压约为4.5 V。电容器保持带电,该电压也可能保持数小时或数天,具体取决于组件的质量。 

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图 1:电容器充电的阶段uBRednc

自然地,电容器将以自主和自然的方式非常缓慢地放电。这是由泄漏电流引起的,在所有电子元件中都是绝对正常的。uBRednc

不使用电池点亮LED二极管

正如我们所见,电解电容器可与电池相当,但它们的能量电荷要低得多,而且它们的效用有限。此外,电容器中可存储能量的值由其“容量”决定。值越大,电容器可以容纳的能量就越多。uBRednc

让我们看看如何使用电解电容器代替电池来点亮 LED 二极管。当然,首先要用上述步骤对电解电容器进行充电。图 2 显示了建议的接线和接线图。要进行实验,您需要以下材料:uBRednc

  • 1 节 4.5 V 电池;
  • 1个47000uF以上的电容;
  • 1 个330 Ω电阻;
  • 1个红色LED二极管。

如前所述,用电池给电解电容充电,然后按照电路图连接 LED 二极管和电阻器。请勿将已充电电容器的两个端子极板进行连接;可能会产生小火花。电解电容器提供电流,直到电流完全耗尽,使LED二极管瞬间亮起。不幸的是,由于电容器没有足够的面积来储存更多的能量,光只能持续几秒钟。市场上有更大的电容器,但它们非常昂贵(超级电容器)。下方的图表记录了随时间流过电路的电流。由于LED二极管的亮度会随着时间的推移而降低,因此最好在黑暗中进行实验。uBRednc

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图 2:LED 二极管由电解电容器供电几秒钟。uBRednc

结论

在电子学中,电容器用于许多不同的目的,而不仅仅是为了存储能量。这个组件也可以用来传递交流电,同时阻止直流电。当然,这个功能强大的电子元件最有趣的效果是在这个实验中看到的。为了延长电路的发光周期,可以采用高价的超级电容器,或者可以增加电阻的值,但亮度会降低,或者可以用更大的电压给电容器充电。uBRednc

最好在成年人的帮助下逐渐接近电子设备,需要强调的是,为了确保儿童的安全,所有实验都必须使用低压 (4.5 V) 电池。uBRednc

更多内容:儿童电子学(一):LED

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Electronics for Kids: Part 2 – The Capacitor!,Demi Xia编译。)uBRednc

责编:Demi
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